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低轨通讯星座星间链路概况、问题与建议
2018-08-31 / 阅读次数：1885
作者 | 中国空间手艺研究院通讯卫星事业部 韩慧鹏
本文刊登于《卫星与网络》杂志2018年8月刊
概述
星间链路是指卫星之间建设的通讯链路 ，也称为星际链路或交织链路 。通过星间链路实现卫星之间的信息传输和交流 ，多颗卫星可以互联在一起 ，成为一个以卫星作为交流节点的空间通讯网络 ，降低卫星通讯系统对地面网络的依赖 。依附星间链路的优势 ，通讯系统可以镌汰地面信关站的设置数目、扩大笼罩区域、实现全球测控等 ，并且信号在星间链路传输时可有用阻止大气和降雨导致的衰减 ，形成相对自力的通讯星座系统或数据中继系统 。
近年来 ，在具备宽带、大容量、低延迟和全球笼罩等特色的低轨通讯星座的推动下 ，星间链路成为研究热门 。目今 ，Starlink、LeoSat、Telesat、Iridium
NEXT、O3b、OneWeb和Globalstar等中低轨道星座项目的生长势头正盛 ，凭证展望到2020年高通量卫星的通讯容量将抵达近5Tbps ，随着宽带大容量通讯星座的建成 ，通讯能力将增添到40Tbps以上 。在这些星座中 ，美国的Starlink星座将接纳激光星间链路实现空间组网 ，抵达网络优化治理以及效劳一连性的目的 ；LeoSat星座也将接纳激光星间链路建设一个空间激光主干网 ；加拿大的Telesat星座亦妄想设置激光星间链路 ；而美国的Iridium
NEXT星座则设置了Ka频段星间链路 。凭证现在宣布的资料来看 ，O3b、OneWeb和Globalstar星座未设置星间链路 。
2018年1月12日 ，加拿大卫星运营商电信卫星（Telesat）公司的一颗试验通讯卫星（LEO Vantage
1）搭乘印度的“极轨卫星运载器”通过一箭31星方法乐成发射 ，现在正开展相关在轨测试 ，将为Telesat星座建设提供手艺验证 。2018年2月22日 ，SpaceX公司接纳猎鹰-9重型火箭乐成发射了Starlink星座的2颗试验通讯卫星（Tintin
A/B ，图1） ，将为Starlink星座建设提供前期在轨手艺验证 。2018上半年 ，Iridium
NEXT星座分2组发射了15颗卫星（即41-50编组和51-55编组） ，每颗卫星具有4条微波星间链路 。
星间链路分类
星间链路凭证卫星所在轨道可分为同类型轨道（如GEO-GEO、LEO-LEO等）卫星间的星间链路和差别类型轨道（LEO-GEO等）卫星间的星间链路 。从卫星所在轨道面还可分为同轨道面星间链路以及异轨道星间链路 。以Iridium星座为例 ，每颗卫星有4条LEO-LEO星间链路 ，其中2条是与同轨道面的相邻卫星建设相对牢靠的星间链路（如图2中1号卫星与2、3号卫星） ，尚有2条是与相近异轨道面的2颗卫星建设的可动波束星间链路（如图2中1号卫星与4、5号卫星） 。由于卫星星间链路设置的限制 ，1号卫星与相邻异轨道面上的6号和7号卫星之间并没有星际链路 ，从而降低星间链路设计的重漂后 。
值得一提的是 ，由于同轨道面卫星之间的位置关系是牢靠的 ，因此这类星际链路较量容易坚持 。但异轨道面卫星之间的相对位置关系（如链路距离、链路方位角和链路俯仰角等）是时变的 ，不但天线需要有一定的跟踪能力 ，并且星间链路也很难维持 ，以铱星系统为例 ，约每250秒就需要切换一次 。
星间链路除凭证轨道划特殊 ，还可以凭证事情频率分为微波链路（Ka频段）、毫米波链路（部分Ka频段和Q/V频段等）、太赫兹链路（太赫兹频段）和激光链路等 。星间链路可接纳的频率妄想如表1所示 ；从通讯速率方面可分为窄带低速链路和宽带大容量链路等 。
星间微波/毫米波链路具有手艺相对成熟 ，可靠性较高 ，波束相对较宽 ，跟瞄捕获容易等优势 。星间激光链路的优势在于频带较宽 ，可以增添链路通讯容量 ；装备功耗、质量、体积较� � ；波束发散角较小 ，具有优异的抗滋扰和抗截获性能 ，系统清静性高 。但星间激光链路响应的主要弱点是因波束窄而导致瞄准、捕获、跟踪（PAT）系统重大 ，因此PAT手艺是激光星间链路的要害手艺之一 。
星间太赫兹链路介于毫米波和远红外波之间 ，因此太赫兹链路可兼具毫米波通讯和激光通讯的优势 。相关于毫米波通讯而言 ，星间太赫兹链路通讯容量更大 ，可达10Gbps以上的传输速率 ；波束比毫米波更窄 ，偏向性更好 ；太赫兹波可被大气层吸收 ，具有更好的保密性 ；装备质量和体积等比毫米波装备更小 。与激光链路相比 ，太赫兹波通讯比光通讯的能量效率更高 ；太赫兹波比激光具有更好的穿透沙尘烟雾的能力 ，在卑劣天气下比激光通讯具有一定优势 。
星间链路可能保存的问题
现在正在建设和设计的低轨通讯星座 ，对是否设置星间链路接纳了差别的计划 ，O3b和OneWeb星座不设置星间链路 ，而Starlink、LeoSat和Telesat等星座选择接纳激光星间链路 ，Iridium星座则接纳Ka频段星间链路 。可是设置星间链路会使星座的设计难度增大 ，卫星的手艺庞洪水平提高 ，星上路由选择等手艺问题也响应爆发 。下面针对星间链路使用中可能保存的问题举行梳理：
� 。�1）频率资源稀缺受限 。星间链路可用的微波频率资源牢靠且有限 ，难以同时知足多个大规模星座的宽带星间链路使用 ；毫米波频段的频率资源较为富厚 ，可是现在该频段的星载装备研制较为难题 ，产品的成熟度较低 ；而激光链路虽然带宽较宽 ，但其受空间光照等因素影响较大 ，使激光链路的可用度降低 。通讯频率和卫星轨位资源是星座设计的条件条件 ，是必需优先解决的问题 。
� 。�2）路由选择问题 。关于规模较大的星座 ，星间链路的路由选择注定将是一个极其重大的问题 ，加之低轨卫星的相对位置时刻在转变 ，因此需要实时更新路由表 。若由星上完成该事情则将大幅增添卫星的庞洪水平和研制难度 ，同时降低了卫星敌手艺升级更新的顺应性 ；若由地面完成路由分派再上传至卫星 ，则增大了星座对地面系统的依赖 。另一方面 ，若是路由选择不是最佳计划的话 ，则数据在星座中被多次传输 ，使得信号延时显着增添 ，降低了低轨星座在延时方面的优势 。因此作者以为路由选择是现在低轨星座星间链路设计中最焦点的问题之一 。
� 。�3）数据羁系问题 。既然通过星间链路可以在大气层外体例一张通讯网络 ，那么通讯数据的前因后果该怎样羁系 ，怎样确保数据精准抵达目的地而不被“窃取” ，怎样准确掌握营业信息的传输方法 ，亦是一个需要高度重视的问题 。
� 。�4）星间链路设计重漂后及链路滋扰问题 。同轨道面内的卫星建设星间链路相对牢靠 ，可是异轨道面的卫星甚至差别类型轨道卫星之间建设起星间链路较为重大 ，需要解决链路设置数目、综合笼罩规模、建链偏向角度、链路距离以及链路切换频度等问题 。星间链路事情时还需要阻止与其他星间链路或星地链路爆发相互滋扰 ，以免导致各方的通讯链路均受影响 。
� 。�5）星间链路天线的限制 。星间链路的天线或激光终端需要重大的捕获、跟踪、瞄准伺服机构和控制器 ，从而实现星间链路的实时建设和切换 。但在低轨的较小卫星平台上较难以同时装置多副星间链路天线或终端 ，这就限制了单颗卫星星间链路的设置 。虽然可以选择相控阵天线 ，但问题在于这类天线的腾贵用度和使用寿命等因素 ，限制了大规模构建星座的现实使用价值 。
� 。�6）配景噪声控制问题 。星间链路天线的指向规模转变较大 ，这就导致星间天线/终端的配景噪声温度动态转变 ，且转变幅度较大 ，进而影响星间链路的正常通讯 ，若天线指向控制不当或者门限设置不当 ，要么导致通讯阻断 ，要么引起链路自激 。
星间链路建设和使用建议
星间链路虽然保存上述可能泛起的问题 ，但由于适合于未便全球安排地面信关站的中低轨星座 ；并且星间链路的抗毁性强 ，可以不依赖地面自力组网通讯 ，通过星座能扩大通讯系统的笼罩规模 ，还能在一定水平上解决地面蜂窝网的周游问题 。因此 ，星间链路仍受到重视及应用 。且依附其通讯和测控等方面的手艺优势 ，通过合理设计和使用 ，可以充分验展其潜力 。
为更好施展星间链路的作用 ，对星间链路的建设和使用提出如下建议：
� 。�1）起劲开拓新的事情频段 ，研制新频段响应的星载装备 ，包括天线、转发器以及星上处置惩罚器等 。Q/V频段（40/60GHz）和激光载荷装备近期内将成熟并可投入使用 ，有助于改善现在严重依赖Ka频段而造成的频率资源主要和链路滋扰问题 。
� 。�2）充分使用现有频率资源 ，深度举行星间链路“波束-时间-空间”统筹妄想 ，各星座星间链路的波束指向凭证时间和空间举行备案统筹治理 ，使相同频率可以被尽可能多的星间链路按“时分空分”方法综合复用 ，只管阻止同频同指向的滋扰问题 。
� 。�3）由于低轨星座的路由设计差别于GEO轨道卫星网络 ，也差别于地面通讯网络 ，建议重点优化星座网络拓扑结构 ，增强路由选择设计和数据羁系研究 ，战胜网络大标准、动态拓扑、节点关系重大、营业种类富厚等问题 ，实现适用于低轨卫星星座的路由与交流计划 。
� 。�4）建议限制使用星间链路 ，阻止卫星间随意建设星间链路 ，而只与邻近的卫星建设星间链路 ，使用转动受限的可动波束 ，甚至使用牢靠波束来建设星间链路 ，通过限制使用星间链路实现整个星座的最优设计 ，降低卫星星间链路天线APT机构的重漂后 ，并可阻止配景噪声的大幅波动 。
� 。�5）建议接纳LEO/GEO中继型星间链路方法 ，由LEO卫星通过星间链路与GEO卫星建设中继关系 ，再通过GEO卫星向中低纬度区域举行数据笼罩传输 ，实现LEO卫星在地面站视场外的通讯效劳 ，而LEO卫星着重认真高纬度地区的通讯事情 。
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